都的箭¹，吳克宏¹，劉紹根²
（1.解放軍理工大學(xué)工程兵工程學(xué)院軍事環(huán)境工程系，江蘇 南京 210007；
2.安徽建筑工業(yè)學(xué)院環(huán)境工程系，安徽 合肥 230022）

　　摘要：結(jié)合磁場(chǎng)在工業(yè)廢水、城市污水和飲用水處理中的應(yīng)用，對(duì)磁場(chǎng)處理水的物理作用原理及其影響因素進(jìn)行了分析。同時(shí)指出了磁場(chǎng)在水處理中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)和磁場(chǎng)效應(yīng)與各種水處理技術(shù)共同作用實(shí)現(xiàn)多種水處理功能的技術(shù)前景。
　　關(guān)鍵詞：水處理；磁分離；高梯度磁場(chǎng)
　　中圖分類號(hào)：TU991.27
　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
　　文章編號(hào)：1009-2455(2001)04-0001-03

An Analysis of the Physical Effect of Water Magnetic Treatment
DOU De-jian，WU Ke-hong，LIU Shao-gen
(1.Department of Military Environment Engineering，EIEC，PLAUST，Nanjing 210007，China
2.Department of Environmental Engineering，Anhui Institute of Architecture，Hefei 230022，China)

　　Abstract:The physical effect of magnetic-field water treatment is analyzed based on the application of magnetic field in the treatment of industrial waste water，municipal sewage and drinking water．Meanwhile，the advantages of magnetic field application in water treatment and the technical prospect of the joint effect of magnetic effect and various other water treatment techniques in realizing multiple function of water treatment are pointed out．
　　Key words:water treatment；magnetic separation；high-gradient magnetic field

　　磁處理水技術(shù)是近幾年發(fā)展起來(lái)的一門(mén)新興的水處理技術(shù)。磁分離作為物理處理技術(shù)在水處理中獲得了許多成功應(yīng)用，顯示出許多優(yōu)點(diǎn)。磁分離的物理作用是利用廢水中雜質(zhì)顆粒的磁性進(jìn)行分離的，對(duì)于水中非磁性或弱磁性的顆粒，利用接種技術(shù)可使它們具有磁性。目前具有代表性的磁分離設(shè)備是圓盤(pán)磁分離器和高梯度磁過(guò)濾器。

1 磁處理水的物理作用原理

　　磁分離的物理作用基本原理就是通過(guò)外加磁場(chǎng)產(chǎn)生磁力，把廢水中具有磁性的懸浮顆粒吸出，使之與廢水分離，達(dá)到去除或回收的目的。為了分析方便，我們把廢水中的微小的磁性懸浮顆粒看作直徑為d的球形物體，其密度為ρ，質(zhì)量為m。由物理力學(xué)知識(shí)，磁性顆粒在磁場(chǎng)中受力分析如圖1所示。
　　根據(jù)磁性顆粒的受力分析（圖1），則它的運(yùn)動(dòng)軌跡可用下面矢量方程來(lái)表示：

　　式中：m－懸浮顆粒質(zhì)量，kg；
　　
　　

　　由(6)式可知，在微小磁性顆粒和適當(dāng)水流流速下，整個(gè)運(yùn)動(dòng)方程式的重力和浮力可忽略不計(jì)，則有下式：

　　當(dāng)磁力大于阻力時(shí)，磁性懸浮顆粒被磁體吸引，產(chǎn)生加速度，隨之介質(zhì)液體阻力增大。當(dāng)磁力等于阻力時(shí)，加速度為零，懸浮顆粒作等速運(yùn)動(dòng)靠近磁體，這時(shí)的速度Vc可由下式表示：

　　對(duì)于水流中粒徑較大的磁性顆粒或絮凝體，則要考慮其重力和浮力的影響，對(duì)它所受的阻力可忽略不計(jì)。不考慮磁力的影響，根據(jù)斯托克斯定律，水流中固體懸浮顆粒沉降的速度可表示為：

2 提高磁場(chǎng)捕獲懸浮顆粒的影響因素

　　由懸浮顆粒在磁場(chǎng)中受力分析可知，影響磁場(chǎng)捕獲磁性顆粒的因素很多，大體歸納分析為以下幾點(diǎn)。
2.1 磁場(chǎng)力
　　由(6)式可知，為達(dá)到最大磁吸引力，應(yīng)盡可能提高磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)梯度。如果提高場(chǎng)強(qiáng)，則增大耗電和運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用，而且磁性粒子的磁化一旦飽和，磁力也就不再增大，所以場(chǎng)強(qiáng)只能在一定范圍內(nèi)被提高。提高磁場(chǎng)梯度則是最有效的手段。磁場(chǎng)梯度是指單位距離內(nèi)磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化率，高梯度磁場(chǎng)分離是以鋼毛或帶銳脊的薄鋼板作為聚磁介質(zhì)，放在強(qiáng)磁場(chǎng)中，通過(guò)對(duì)磁力線的密集或發(fā)散，使其在微小空間出現(xiàn)高的磁場(chǎng)梯度，使得弱磁性的微細(xì)顆粒甚至半膠體顆粒都能被聚磁介質(zhì)所吸引。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)鋼鐵廠、造紙廠、電鍍廠、紡織印染廠等工廠的廢水以及城市污水進(jìn)行高梯度磁場(chǎng)分離處理^[1]；在飲用水中利用高梯度磁濾消毒凈化^[2]。
2.2 懸浮顆粒的磁化率（K_m）
　　由式(5)可知，通過(guò)投加磁性接種劑來(lái)增大K_m，從而增大了磁力F_z。磁性顆粒在較大磁力作用下容易被捕集從而有利于去除。對(duì)于廢水中非磁性和顆粒尺寸在微米以下的污染物，可用鐵粉、磁鐵礦、磁－赤鐵礦、赤鐵礦微粒以及具有磁矩的細(xì)菌（吸附鐵磁性離子）來(lái)做磁性接種劑。對(duì)于固體磁種，大多數(shù)情況下，添加混凝劑實(shí)現(xiàn)磁種與非磁性粒子污染物的凝聚，這樣，磁化率很小的或非磁性粒子污染物變?yōu)榇呕瘦^大的絮凝體，通過(guò)高梯度磁場(chǎng)分離器能有效地排除。目前，通過(guò)投加磁種來(lái)增大K_m，再經(jīng)過(guò)磁處理，這種技術(shù)已成功應(yīng)用于去除廢水中的油、金屬離子、非磁性固體懸浮物、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、有機(jī)物等^[3]。
2.3 懸浮顆粒或絮凝體的粒徑（d）
　　通過(guò)磁聚和絮凝來(lái)增大粒徑。磁聚（或稱磁力凝聚）是利用磁鐵粉顆粒通過(guò)預(yù)磁器后殘留的剩磁，使顆粒相互吸引而團(tuán)聚成大的磁聚體。絮凝（化學(xué)凝聚）是通過(guò)投加凝聚劑，使磁性粒子（或磁性粒子與非磁性粒子）凝聚成大的絮凝體。由式（8）和（9）可知，若V＞VC，則考慮將這些聚結(jié)成較大的顆粒先在預(yù)沉池內(nèi)下沉而除去。經(jīng)過(guò)磁聚或絮凝，廢水中原來(lái)粒徑很小的磁性或非磁性粒子形成粒徑較大絮體，通過(guò)磁分離器時(shí)，它們所受磁力增大，從而容易被捕捉達(dá)到去除。
2.4 水流流速（V）
　　由（6）式可知，要保證磁場(chǎng)去除污染物顆粒，則要選擇適當(dāng)?shù)乃髁魉佟Ｈ袅魉僭龃螅桑?）式可知，其所受水的阻力也增大，則磁場(chǎng)捕獲污染物的量就會(huì)降低。所以要控制流速的大小，使水流通過(guò)磁場(chǎng)時(shí)呈層流狀態(tài)。如用高梯度磁場(chǎng)分離器處理鋼鐵廠廢水和鑄鐵廢水時(shí)，當(dāng)其濾速為200～1000m/h時(shí)，處理效果就特別好^[4]；用高梯度磁濾器除菌，其濾速為150～180m/h，磁通密度超過(guò)0.2T時(shí)除菌率達(dá)到90％以上。
2.5 流體與磁體表面的接觸面積
增加流體與磁體表面的接觸面積也可提高污染物顆粒的去除量。通過(guò)磁去除器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可采用旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，不斷更新接觸表面，增加液體與磁表面的接觸面積，如圓盤(pán)磁分離器就是依據(jù)這一點(diǎn)設(shè)計(jì)的；高梯度磁分離器是用鋼毛或帶銳脊的薄鋼板聚磁介質(zhì)填塞在過(guò)濾器中，達(dá)到增加液體與磁體表面的接觸面積，增強(qiáng)了污染物顆粒的去除效果。
通過(guò)磁性懸浮顆粒在磁場(chǎng)中的受力情況及其影響因素的分析，從理論上探討了提高磁場(chǎng)物理作用處理水效率的方法，從而指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)。為達(dá)到高的污染物去除率，就必須從提高磁場(chǎng)梯度或場(chǎng)強(qiáng)、增大水中懸浮顆粒的大小和磁化率以及磁表面積、適宜的過(guò)濾流速這幾個(gè)方面來(lái)考慮。

3 磁處理水的優(yōu)勢(shì)

磁處理的研究和應(yīng)用都還比較少，但根據(jù)磁分離技術(shù)的物理作用原理，利用磁分離技術(shù)在水處理方面具有很多的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，主要有以下幾點(diǎn)：
①磁分離設(shè)備體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)容易、費(fèi)用低、占地少。如高梯度磁分離設(shè)備，容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化；工作高度可靠，維修量適中；占地少，相當(dāng)于其他傳統(tǒng)設(shè)備的五分之一以下。
②利用高梯度磁濾法物理作用原理，可去除那些耐藥性和毒性很強(qiáng)的病原微生物、細(xì)菌以及一些難降解的有機(jī)物等等。有研究表明，磁場(chǎng)力可使病原微生物、細(xì)菌等細(xì)胞內(nèi)的水和酶鈍化或失活，從而它們被殺滅，通過(guò)磁濾達(dá)到去除^[2]。
③磁分離技術(shù)能實(shí)現(xiàn)多種污染的一次凈化，具有多功能性和通用性。在原水中通過(guò)投加磁種和混凝劑，使得各種性質(zhì)的弱磁性微細(xì)顆粒甚至半膠體顆粒在高梯度磁場(chǎng)中能得到高效去除。例如：去濁和去除重金屬離子、油污、放射性污染等^[1]；石行^[5]研
究并提出用磁分離技術(shù)還可進(jìn)行海水淡化和除鹽。
④磁分離技術(shù)處理水量大，且不受自然溫度的影響。高梯度磁濾分離器的過(guò)濾速度是一般處理用的高速過(guò)濾機(jī)的10～30倍，相當(dāng)于沉淀池的100倍；磁分離技術(shù)適合干旱炎熱或寒冷等不同氣候條件下地區(qū)的給水水質(zhì)處理^[6]。
⑤利用高梯度磁濾法可作為給水的殺菌消毒處理，主要優(yōu)點(diǎn)是不產(chǎn)生有害的副產(chǎn)品、且簡(jiǎn)單容易^[2]。用氯或氯制劑對(duì)飲用水消毒時(shí)，有研究表明氯與水中腐植酸和黃腐酸以及其他微量有機(jī)物反應(yīng)產(chǎn)生三鹵甲烷（THMs）和其他鹵代烴化合物，這些化合物是多種疾病的致病因子。
⑤根據(jù)磁化后的水能促進(jìn)水垢脫落的現(xiàn)象^[7]，可利用磁場(chǎng)磁化那些礦化度較高的水源（如地下水源）作為鍋爐用水，不需要加入化學(xué)藥劑來(lái)阻垢、防垢，這樣不但避免了鍋爐結(jié)垢，而且水也沒(méi)有受到因加入化學(xué)藥劑而受到污染。
　　磁分離技術(shù)是一種簡(jiǎn)易可行且處理效率高的水處理技術(shù)，但存在著一定的技術(shù)難度和局限性，從而影響著它的廣泛應(yīng)用。例如，介質(zhì)的剩磁使得磁分離設(shè)備在系統(tǒng)反沖洗時(shí)，難以把被聚磁介質(zhì)所吸附的磁性顆粒沖洗干凈，因而影響著下一周期的工作效率；為了盡可能提高磁場(chǎng)梯度，必須選擇高磁飽和度的聚磁介質(zhì)，對(duì)聚磁介質(zhì)的選擇具有一定的技術(shù)困難。在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)于這些技術(shù)難度和局限性有待研究克服。

4 磁處理水的應(yīng)用前景

　　近幾年來(lái)，磁分離技術(shù)在水處理中單獨(dú)應(yīng)用的研究不是很多。磁分離技術(shù)與其他技術(shù)之間的組合是比較熱點(diǎn)的領(lǐng)域。如用磁電組合電解處理含銅工業(yè)廢水實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明，磁電解法比普通電解處理有更好的效果^[8]；磁分離技術(shù)能有效的強(qiáng)化人工生態(tài)系統(tǒng)來(lái)處理有機(jī)污水^[9]等等。另外，磁場(chǎng)與紅外輻射、光、超聲波等物理技術(shù)相互強(qiáng)化處理鍋爐用水，磁場(chǎng)與化學(xué)投藥法一起共同作用處理工藝用水以及與生物技術(shù)協(xié)同作用進(jìn)行殺菌防毒凈化飲用水的研究等等，都是值得研究的課題。但磁場(chǎng)的生物效應(yīng)以及磁化水能脫垢等這些問(wèn)題的作用機(jī)理仍然沒(méi)有研究清楚^[7，10]，影響著磁分離技術(shù)的廣泛應(yīng)用。因此，有效地利用磁場(chǎng)的能量，注重磁場(chǎng)的生物效應(yīng)和磁場(chǎng)強(qiáng)化絮凝機(jī)理的研究，不斷與其他技術(shù)相互滲透、共同作用來(lái)達(dá)到廢水處理的基本要求，開(kāi)展這方面的研究工作無(wú)疑具有重要的意義。

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作者簡(jiǎn)介：
　　都的箭（1976－），男，碩士研究生。